天文學(xué)概論-6-銀河系和河外星系

1、西華師范大學(xué)公共選修課天 文 學(xué) 概 論,第五講 銀河系和河外星系,劉雄偉物理與電子信息學(xué)院,（一）人類探索銀河系的歷程（二）銀河系的結(jié)構(gòu)（三）銀河系的成員,一，銀河系,夏秋兩季，星空中有條光帶，從北到南橫跨天空。這就是銀河。 我國(guó)牛郎織女的故事：牛郎星、織女星和天津四組成夏季大三角。,（一）人類探索銀河系的歷程,1609年，當(dāng)伽利略用望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)銀河時(shí)，看到多如牛毛的星星。 18世紀(jì)中葉，康德推測(cè)：銀河、恒星和太陽(yáng)共

2、同組成了一個(gè)非常龐大的天體系統(tǒng)，形狀很像一個(gè)磨盤(pán)。 英國(guó)天文學(xué)家赫歇爾觀測(cè)十幾萬(wàn)顆恒星，確認(rèn)銀河是一個(gè)天體系統(tǒng)。,銀河是什么？,1609年，伽利略： “借助望遠(yuǎn)鏡，我的觀察十分細(xì)致而直觀。銀河不是別的，是匯聚成群的無(wú)數(shù)恒星的大集合。無(wú)論把望遠(yuǎn)鏡指向它的哪個(gè)部位，大量恒星立即進(jìn)入視野。它們中的許多大而明亮，小的恒星則多得數(shù)不清?！?之后的100多年，天文學(xué)家仍沉溺于太陽(yáng)系的研究。不關(guān)心銀河系。,建立銀河系結(jié)構(gòu)的

3、關(guān)鍵,要想建立銀河系的結(jié)構(gòu)模型，需要準(zhǔn)確地測(cè)量一批恒星的距離，包括很遠(yuǎn)的邊緣處的恒星的距離，很困難。,非常強(qiáng)的星際塵埃消光；光學(xué)上很難測(cè)量距離 > 100 pc 銀盤(pán)里的天體,NGC1232,不識(shí)銀河真面目，只緣身在此河中。,一個(gè)扁平形狀的恒星系統(tǒng)，長(zhǎng)度和厚度大約是6:1，邊緣不那么整齊，太陽(yáng)在正中心。,赫歇爾的銀河截面圖（1785年發(fā)表）,1776年，38歲的英國(guó)天文學(xué)家威廉·赫歇爾開(kāi)始觀測(cè)恒星，十來(lái)年觀測(cè)117

4、600顆恒星，被譽(yù)為恒星天文學(xué)之父。妹卡羅琳·赫歇爾終身做他的助手，未嫁。,,赫歇爾的銀河系模型的問(wèn)題,尺度太小 赫歇耳認(rèn)為在銀河系內(nèi)約有1億顆恒星；測(cè)距離的方法不準(zhǔn)確：用恒星的視亮度估計(jì)距離。 銀河系尺度為7500光年，厚度是1300光年。太小了。 中心不對(duì) 認(rèn)為太陽(yáng)系是銀河系的中心。,直徑為5.5萬(wàn)光年，厚度為1.1萬(wàn)光年，包含了474億顆恒星。 太陽(yáng)靠近銀河系中心，銀心在北天的仙后座。（保留了

5、赫歇爾的錯(cuò)誤） 主要的原因：對(duì)銀河系內(nèi)星際介質(zhì)及其消光作用缺乏認(rèn)識(shí)，把距離估計(jì)錯(cuò)了。,卡普坦的小銀河系模型（1922年）,沙普利的大銀河系模型（1922年） 否定太陽(yáng)是銀河系中心。正確指出中心在南半球人馬座以西的地方。 銀河系直徑33萬(wàn)光年，比真實(shí)尺度大了3倍。原因是沒(méi)有考慮星際消光，距離估計(jì)遠(yuǎn)了。 沙普利僅用幾年時(shí)間獲得的銀河系模型，公認(rèn)比卡普坦的模型好。,改用球狀星團(tuán)的空間分布來(lái)估計(jì)銀河系的結(jié)構(gòu)。 球狀

6、星團(tuán)亮，看得遠(yuǎn)，數(shù)目少。 采用新的估計(jì)距離的方法：造父變星方法和天琴座RR變星方法。 發(fā)現(xiàn)球狀星團(tuán)的分布不對(duì)稱，說(shuō)明太陽(yáng)不在銀河系中心。球狀星團(tuán)絕大部分都分布在人馬座方向，找到了銀河系中心。,沙普利的研究方法的優(yōu)越性,球狀星團(tuán)在銀河系中的分布,左圖：分布在銀河兩邊右圖：由球狀星團(tuán)分布，確定銀河系中心,（二）、銀河系的結(jié)構(gòu)隨著現(xiàn)代大型望遠(yuǎn)鏡的使用以及觀測(cè)技術(shù)和方法的進(jìn)步，對(duì)銀河系的認(rèn)識(shí)逐漸清晰,形狀象一個(gè)大鐵餅。 由銀盤(pán)

7、、銀暈、核球和旋臂等組成。 直徑8～10萬(wàn)光年。 太陽(yáng)離中心約3.3萬(wàn)光年。 銀河系并沒(méi)有一個(gè)明顯的邊界。,1，結(jié)構(gòu),太陽(yáng)系附近的3條旋臂,2，銀河系旋臂是銀河系內(nèi)物質(zhì)密集的部分，共發(fā)現(xiàn)了4條：三千秒差距臂、英仙臂、人馬臂和獵戶臂。,3, 銀河系多波段觀測(cè)結(jié)果,射電（0.4GHz)中性氫射電（2.7GHz)分子氫紅外遠(yuǎn)紅外光學(xué)X射線Gamma射線,銀河系較差自轉(zhuǎn)：在靠近銀心的地方，接近于剛體旋轉(zhuǎn)；離銀心較遠(yuǎn)地方，角

8、速度變小。 自轉(zhuǎn)周期為2.5億年。 從恒星繞行軌道曲線，找出繞行中心：銀心在人馬座方向上，離太陽(yáng)約3.3萬(wàn)光年。,4，銀河系的自轉(zhuǎn),1999年—— 中國(guó)韓金林、喬國(guó)俊利用脈沖星的偏振測(cè)量出銀河系的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)！,5，銀河系的磁場(chǎng),（三）、銀河系的成員除了恒星，還有星團(tuán)、星際介質(zhì)、分子云、星云等等,球狀星團(tuán),球狀星團(tuán)形狀呈球形或橢球形，包含成千上萬(wàn)顆恒星，越往中心密度越大。 直徑一般為100-300光年，包含幾千到幾百萬(wàn)顆恒星。

9、 銀河系中約有500多個(gè)球狀星團(tuán)，至今已確認(rèn)100多個(gè)，大多分布在銀暈中。,武仙座球狀星團(tuán) M13,外形不規(guī)則，包含的成員星比球狀星團(tuán)少得多，少的只有幾十個(gè)，最多1000多個(gè)。 疏散星團(tuán)的數(shù)目比球狀星團(tuán)多許多，約有1.8萬(wàn)個(gè)，已發(fā)現(xiàn)了1000多個(gè)。 疏散星團(tuán)中的成員星種類十分復(fù)雜，分三類：只有主序星；主序星及一些黃色和紅色巨星；主序星及很多黃色和紅色巨星。 大多數(shù)疏散星團(tuán)都比較年輕。,疏散星團(tuán),日本昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡拍攝的

10、金牛座昴星團(tuán),在我國(guó)民間俗稱七姐妹星團(tuán)，肉眼可見(jiàn)。是最明亮的疏散星團(tuán)。亮星周?chē)邪档姆瓷湫窃啤?星際介質(zhì),恒星之間的氣體、塵埃、宇宙線與磁場(chǎng)氫占70％，以3種形成存在，即氫原子(HⅠ)、電離氫(HⅡ)和氫分子（H2）。氦（He）占28%。 來(lái)自超新星、新星、行星狀星云、恒星風(fēng)以及從外面進(jìn)入銀河系的碎快。塵埃占星際質(zhì)量的比例僅1％，直徑～ 0.01-0.1微米。吸收和散射可見(jiàn)光的能力很強(qiáng)，是星際消光的主要因素。,星云由氣體和塵埃微

11、粒組成，總稱為銀河星云。 銀河星云一般都比較暗弱，肉眼可見(jiàn)的只有獵戶座大星云。 按照形態(tài)，分為彌漫星云和行星狀星云。 星云－－恒星形成區(qū)。,銀河系星云,著名的暗星云 ——馬頭星云 形狀酷似一匹駿馬的頭部而得名。 位于獵戶星座中心區(qū)域。 星云中的氣體和塵埃處于雜亂無(wú)章的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之中，隨著時(shí)間的推移，馬頭的形狀會(huì)發(fā)生變化。,著名的亮星云——獵戶座星云,天空中最明亮的發(fā)射星云。獵戶座星云是著名的恒星形成區(qū)。能生育幾百或幾千

12、課恒星。,銀河系是孤立的宇宙島？18世紀(jì)中葉，德國(guó)哲學(xué)家康德猜想宇宙中還存在著無(wú)數(shù)個(gè)與銀河系類似的天體系統(tǒng)。1922年，哈勃的觀測(cè)證明了河外星系的存在。,二，河外星系,早在18世紀(jì)，就有兩種看法：1，銀河系外的巨大恒星系統(tǒng)；2，銀河系內(nèi)部氣體塵埃云，形成恒星的區(qū)域。,（一）仙女座大星云是什么？,1922年開(kāi)始，哈勃利用造父變星測(cè)距法，測(cè)定仙女座大星云中造父變星的距離為約為90萬(wàn)光年（實(shí)際上是220萬(wàn)光年），遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了銀河系的

13、直徑，由此確認(rèn)仙女座大星云是河外星系。 認(rèn)識(shí)宇宙的一次飛躍,哈勃發(fā)現(xiàn)河外星系,仙女座大星云M31（NGC224） 最明亮，肉眼可見(jiàn)。 側(cè)面對(duì)著我們，旋臂的特征不很明顯。 M31核心部分有兩個(gè)相距僅5光年的核?？赡苁菐资畠|年前的一個(gè)小星系闖入了仙女座大星云，經(jīng)過(guò)引力的吸引作用形成了兩個(gè)核。,總數(shù)達(dá)2000億。最遠(yuǎn)的河外星系有100多億光年。 天文研究的范圍擴(kuò)展到以百億光年為尺度的廣闊空間。 我們接收到百億光年遠(yuǎn)

14、的天體的輻射，是百億年以前發(fā)出的，是宇宙早期發(fā)生的事件。,（二）河外星系知多少？,對(duì)數(shù)量眾多、形態(tài)各異的河外星系，哈勃1926年提出了哈勃星系分類法：橢圓星系，旋渦星系和不規(guī)則星系,哈勃星系分類法,橢圓星系的形狀是圓球形或橢球形，沒(méi)有旋渦結(jié)構(gòu)，中間部分較明亮。 橢圓星系數(shù)目不多，占河外星系總數(shù)的17％。 質(zhì)量最大和最小的河外星系都是橢圓星系。最大和最小的相差107倍！,1，橢圓星系,2，美麗的旋渦星系,旋渦星系NGC

15、1232,旋渦星系M101,數(shù)量最多、形態(tài)最美的，都有明亮的核心，彎曲的旋臂以及旋臂上突出的結(jié)點(diǎn)和斑點(diǎn)。 旋臂上物質(zhì)比較稠密，有比較多的氣體、和塵埃，因此成為孕育恒星的場(chǎng)所。,草帽星系（旋渦）,基本是側(cè)面對(duì)著我們，看不清楚旋渦結(jié)構(gòu),中心有棒狀結(jié)構(gòu)。 旋臂源于棒的兩端。 屬于旋渦星系。,NGC 1365,3，棒旋星系,4，透鏡狀星系,介于橢圓星系和旋渦星系之間的、無(wú)旋臂的盤(pán)星系。主要由年老恒星組成，氣體很少。,沒(méi)有一定形狀的亮斑

16、，沒(méi)有核球，沒(méi)有旋臂。 大、小麥哲倫云：離銀河系最近。觀測(cè)到許多與銀河系中相同的天體，有像太陽(yáng)一樣的恒星，巨星、超巨星、變星、中子星、造父變星；星團(tuán)、星云等。,5，不規(guī)則星系,與正常星系不同，表現(xiàn)各異，很復(fù)雜，有如下幾種：（1）射電星系：射電波段特別強(qiáng)；（2）賽弗特星系：光度強(qiáng)，蘭光連續(xù)譜；（3）星暴星系：恒星大量產(chǎn)生；（4）致密星系：直徑小，密度大，像恒星：（5）爆發(fā)星系：大量拋射氣體；（6）馬卡良星系：紫外連續(xù)

17、譜強(qiáng)；,6、不平靜的特殊星系,類星體（活動(dòng)星系核）,類星體觀測(cè)上很像恒星，但是通過(guò)光譜紅移發(fā)現(xiàn)它們非常遙遠(yuǎn)，因此它們非常明亮。它們實(shí)際上是活動(dòng)星系核，亮度超過(guò)其宿主星系。,有些類星體有噴流，是正在吸積物質(zhì)的證據(jù)有些噴流視速度可以超過(guò)光速！,（三）多重星系、星系團(tuán)和超星系團(tuán),恒星喜歡“群居”，它們中大部分都是雙星、多重星或者星團(tuán)，“孤家寡人”比較少。 星系更是如此。目前已知的幾千億個(gè)河外星系，它們形成雙星系、多重星系，星系團(tuán)乃

18、至超星系團(tuán)。,1、多重星系,所有的星系，幾乎都有自己的伴侶。 銀河系與大小麥哲倫云，是一個(gè)非常典型的三重星系。近年來(lái)發(fā)現(xiàn)伴星系又增加了9個(gè)，變成十二重星系。,施特芳5重星系,五個(gè)星系分別為NGC7317，7318A，7318BA，7319和NGC7320， 由于星系間的激烈作用，在星系間產(chǎn)生由幾百萬(wàn)顆比較年青恒星組成的星團(tuán)。,比星系群更大的星系集團(tuán)是星系團(tuán)。目前已經(jīng)確認(rèn)的星系團(tuán)有上萬(wàn)個(gè)。星系團(tuán)形態(tài)有比較對(duì)稱的“規(guī)則”型

19、和不對(duì)稱的“不規(guī)則”型。,2、星系團(tuán),由幾十～幾百個(gè)星系團(tuán)組成，大小約100Mpc,質(zhì)量約1016太陽(yáng)質(zhì)量，成員星系團(tuán)之間引力作用弱，導(dǎo)致膨脹。質(zhì)量較大的超星系團(tuán)具有細(xì)長(zhǎng)、纖維狀結(jié)構(gòu)，沒(méi)有明顯的核心和對(duì)稱性； 宇宙中至少有50個(gè)左右超星系團(tuán),3，超星系團(tuán),4，宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)—長(zhǎng)城,星系的分布不均勻，具有類似海綿狀結(jié)構(gòu)，由細(xì)長(zhǎng)的纖維（超星系團(tuán)）及其周?chē)木薅唇M成。巨洞的典型大小為50 Mpc。宇宙中大部分物質(zhì)位于纖維結(jié)構(gòu)上，約占

20、整個(gè)空間面積的1%-2%。,（四）星系碰撞和星系演化,星系互相遭遇的事件很多，由于星系很大，星系之間的距離比星系本身的尺度大不了太多。 銀河系和仙女座大星云尺度分別為10萬(wàn)和16萬(wàn)光年，之間相距220萬(wàn)光年，才大十幾倍。 大約有15%的星系都經(jīng)歷過(guò)碰撞的事件。因擠壓使物質(zhì)密度驟然增加，進(jìn)而催發(fā)一批新的恒星誕生。,1、星系碰撞很容易,NASA預(yù)言40億年后銀河系將與仙女座星系相撞,兩星系相撞的結(jié)果往往是質(zhì)量較大的星系將質(zhì)量較小的星

21、系“吃掉”，合并成一個(gè)更大一些的星系。 合并過(guò)程漫長(zhǎng)，長(zhǎng)達(dá)幾十億年。有時(shí)，兩個(gè)橢圓星系相撞會(huì)變成兩個(gè)旋渦星系，有時(shí)兩個(gè)旋渦星系相撞以后也會(huì)合并為一個(gè)橢圓星系。相撞導(dǎo)致的結(jié)果由多種因素決定。 計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬星系的碰撞。,星系相撞的結(jié)果,宇宙中互擾星系還有很多。有1800個(gè)互擾星系被列入星表。 （1）帶孩子的星系―M51 （2）天線星系 （3）車(chē)輪星系 （4）老鼠星系 （5）蝌蚪星系,2、幾個(gè)典型的互擾星系,M5

22、1是第一個(gè)顯示旋渦結(jié)構(gòu)的河外星系。在它旁邊有一個(gè)較小的伴星系NGC5195。相互作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生某些畸變。天文學(xué)家戲稱M51為帶孩子的星系。,帶孩子的星系 ―M51,NGC4038和NGC4039碰撞形成，“長(zhǎng)出”兩條細(xì)長(zhǎng)、彎曲的“天線”，酷似昆蟲(chóng)的一對(duì)觸角。,天線星系,一大、一小兩個(gè)星系碰撞而成。 小星系碰上大星系，增加了大星系的引力，將大星系周?chē)暮阈俏叫窍抵行摹?當(dāng)小星系遠(yuǎn)離大星系時(shí)，大星系的引力驟減，恒星又

23、四散離去，形成美麗的車(chē)輪狀的光環(huán)。,車(chē)輪星系,蝌蚪星系：距離地球4.2億光年，拖著一條由恒星組成的“尾巴”酷似一尾游動(dòng)著的蝌蚪。,老鼠星系：是一對(duì)旋渦星系（NGC4676a和NGC4676b），兩個(gè)星系互相作用，分別拖著由恒星和氣體組成的長(zhǎng)尾,星系團(tuán)也會(huì)碰撞著名的子彈星系團(tuán)，是暗物質(zhì)存在的強(qiáng)烈證據(jù)！,子彈星系團(tuán)的多波段合成圖,思考和復(fù)習(xí)題,1，為什么測(cè)量銀行的結(jié)構(gòu)非常困難？2，為什么哈勃被譽(yù)為“星系之父”？3，星系有哪幾類？4，